操作系统特征、功能和用户接口

1、操作系统特征

（ Characteristics of OperatingSystems ）

• 并行性

并行性和并发性是既相似又有区别的两个概念。并行性是指两个或多个事件在同一时刻发生，而并发性是指两个或多个在同一时间间隔内发生。在多道程序环境下，并发性是指宏观上在一段时间内有多道程序在同时执行。但在单处理机系统中，每一个时刻仅能执行一道程序，故微观上，这些程序是在交互执行。

• 共享性（Sharing）

共享是指系统中的所有资源不再为一个程序所独占，而是供同时存在于系统中的多道程序所共同使用。根据资源属性不同，可有互斥共享和同时共享两种不同的共享方式。

并发和共享关系：

并发和共享是操作系统的两个最基本的特性，它们又是互为存在条件。一方面资源共享是以程序（进程）的并发性执行为条件的，若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题。另一方面若系统不能对资源共享实施有效管理，则也必将影响到程序并发执行。

• 虚拟性（Virtual）

虚拟是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。物理实体是实际存在的，是实的；逻辑物体是用户感觉到的，是虚拟的。例如在单CPU多道分时系统中，通过多道程序技术和分时技术可以把一个物理CPU虚拟为多个逻辑上的CPU，使每个终端用户都认为有一台“独立”的CPU为它运行，用户感觉的CPU是虚拟CPU。

• 异步性（Asynchronism）和不确定性（nondeterministic）

在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，但由于资源等因素的限制，程序的执行并非“一气呵成”，而是以“走走停停”的方式运行，即程序是以异步方式运行的。多个程序异步并发执行带来了二种不确定性。一种是每个程序（进程）执行的速度和时间不确定，各程序（进程）之间推进的序列也不确定。即是不可预测的。另一种是每个程序（进程）执行结果不确定，即对同一程序，给定相同的初始条件、在相同的环境下进行多次执行，却可能获得完全不同的结果，这也称为程序并发执行的不可再现性。执行结果的不确定性是绝对不允许的，这是操作系统为实现程序并发执行必须解决的问题。

2、现代操作系统特征

• 微内核结构（Microkernel architecture）

它只把OS少数基本的功能（包括地址空间、进程间通信IPC和基本调度）分配给内核，其它的OS服务由称为服务器的进程提供。

• 多线程（Multithreading）

该技术采用执行应用的进程被分为多个能并行运行的线程。

• 对称多处理机（Symmetric multiprocessing SMP ）
• 分布式操作系统 （Distributed OperatingSystems）
• 面向对象设计（Object-oriented design）

3、操作系统功能

• 处理机（进程）管理

处理机管理的主要任务是对处理机进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在多道程序环境下，处理机的分配和运行以进程为基本单位，因而对处理机管理可归纳为对进程的管理。进程管理包括进程控制、进程同步、进程通信和调度等。

• 存储器管理

存储器管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充内存，为此存储管理应具有内存分配、内存保护、地址映射和内存扩充等功能。

• I/O设备管理

设备管理体制的任务是登记各I/O设备状态，管理并完成用户提出的I/O请求，按一定的策略为用户分配I/O设备。同时提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，方便用户使用I/O设备，为此设备管理应具有缓冲器管理、设备分配、设备处理及虚拟设备等功能。

• 信息管理（文件系统管理）

计算机系统的软件信息都以文件形式进行管理，操作系统中负责此任务的部分是文件系统，文件系统的任务是对用户文件和系统文件进行管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性，为此文件系统管理应具有对文件存储空间的管理、目录管理、文件共享和保护等功能。

• 用户接口

为了方便用户使用OS，OS向用户提供了“用户与OS的接口”，该接口分成二种：一种是作业级接口，它提供一组键盘命令，供用户去组织和控制作业的运行。另一种是程序级接口，它提供一组系统调用供其它程序调用。

4、用户接口

用户接口是计算机系统与用户之间进行交互作用和通信的通路。对绝大多数用户而言，一个计算机系统的可接受性在很大程度上取决于这个用户接口。用户接口分为命令接口和程序接口两类。

• 命令接口（作业级接口）

作业级接口是用于作业控制的，它是借助于在用户和操作系统之间提供高级通信来控制一组程序的处理。这个接口之又称命令接口，是因为用户可以通过键盘输入或在作业中发出一系列命令，告诉OS执行那些功能。它分联机用户接口和脱机用户接口。

（1）联机用户接口。联机用户接口也叫交互式用户接口，它用于联机作业控制。它是由一组键盘操作命令组成。交互式用户接口交互方式又分成二类，一类是字符方式，终端命令，提供面向流的通信，如MS-DOS。另一类是图形方式，提供“对话框”、“图标”、“菜单”等图形用户接口（GUI）如Windows。

（2）脱机用户接口也称批处理用户接口，它用于脱机作业控制。脱机作业控制又分为作业控制卡和作业说明书两种方式。

• 程序接口（如Win32 API）

程序接口是操作系统为正要运行的程序提供服务并与之通信的一个设施，它供所有的用户程序使用，也供操作系统的其它组成部分，特别是命令处理程序使用。当一个程序正在执行时，程序接口接受对系统服务及资源申请，并与操作系统的资源管理程序进行通信。这个程序接口主要由系统调用组成。

• 系统调用是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能模块，它是一种特殊的过程调用，这种调用通常是由特殊的机器指令实现的，在PDP机是陷阱指令trap，在x86机是软中断指令INT xx，它又称访管指令(SVC)、访管调用。用户程序运行在用户态下，它通过软中断进入核心，调用系统过程（子模块），运行在核心态，返回后仍在用户态下运行。
• 用户程序系统调用从功能上分可包括进程管理、文件管理、信息维护、设备I/O管理等几方面。
• 系统调用过程大体上分成以下三步：设置系统调用号和参数；系统调用命令的一般处理；系统调用命令处理程序做具体处理。